觸變劑加入溫度及含量對(duì)焊錫膏印刷性能的影響

武信，盧夢(mèng)迪，秦俊虎，何歡，王艷南，熊曉嬌

(云南錫業(yè)錫材有限公司，昆明 650217)

0 前言

隨著全球信息化進(jìn)程的加劇，對(duì)電子產(chǎn)品提出了新的要求，從某種程度上講，片式化、小型化已成為衡量電子元件技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。近幾年，隨著電子終端產(chǎn)品特別是智能手機(jī)、智能手表等便攜式產(chǎn)品的小型化，高集成化，以及原材料成本的增加，貼片陶瓷電容器一直在往小尺寸方向發(fā)展[1]。在智能手機(jī)市場(chǎng)，主流的MLCC尺寸已經(jīng)過(guò)渡到0201(0.6 mm×0.3 mm)尺寸、01005(0.4 mm×0.2 mm)尺寸，甚至更小尺寸的008004(0.2 mm×0.1 mm)。隨著小型元件發(fā)展電子產(chǎn)品的缺陷越來(lái)越多，其中包括了焊錫膏印刷失效，少錫、連錫、拉尖導(dǎo)致的焊接不良。焊錫膏的性能直接影響著電子產(chǎn)品的質(zhì)量，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子產(chǎn)品 70% 的缺陷是由焊錫膏的質(zhì)量缺陷引起的[2]。焊錫膏良好的印刷性能可以減少焊點(diǎn)缺陷，包括短路、橋連、焊接不良等，因此提高焊錫膏的印刷性能對(duì)提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外的研究主要集中于焊料合金成分開(kāi)發(fā)[3]、焊粉的開(kāi)發(fā)，助焊劑體系的開(kāi)發(fā)，陳龍春等人[4]從焊粉的形貌方面研究了焊錫粉對(duì)焊錫膏儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，金霞等人[5]研究了焊錫膏用助焊劑在釬焊過(guò)程中作用機(jī)理，喻雪燕等人[6]研究溶劑對(duì) SnAgCu 系焊錫膏儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，白融[7]通過(guò)調(diào)整助焊劑成分，研究焊錫膏在室溫環(huán)境下放置的穩(wěn)定性，李海普等人[8]探究焊劑配方設(shè)計(jì)的機(jī)理。而目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于助焊劑制備工藝對(duì)焊錫膏性能的影響研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)該問(wèn)題，筆者主要從助焊劑制備工藝出發(fā)，研究了助焊劑制備工藝中觸變劑的加入溫度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)焊錫膏印刷性的影響，而焊錫膏的印刷性取決于錫膏粘度、觸變指數(shù)、抗塌落性能及焊錫膏內(nèi)黏著力。因此，對(duì)以上性能進(jìn)行了測(cè)試分析。經(jīng)過(guò)分析選擇出最佳制備工藝，進(jìn)一步提升了焊錫膏的印刷性能，為細(xì)間距用焊錫膏制備工藝奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)所用的原材料為Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金Type4(20～38 μm)焊錫粉、觸變劑S(熔點(diǎn)168 ℃)、有機(jī)酸、有機(jī)胺、有機(jī)溶劑、松香樹(shù)脂等。

1.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

Malcom PCU205粘度測(cè)試儀，Malcom內(nèi)黏著力測(cè)試儀，Stemi-508型體式顯微鏡，日東回流焊機(jī)，PANASONIC NM-EJP6A全自動(dòng)印刷機(jī)，數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，DPM-0.5C ROSS攪拌機(jī)，電磁加熱攪拌爐，烘箱，燒杯，OSP測(cè)試板，磨砂玻璃片，氧化鋁陶瓷片等。

1.3 樣品制備

1.3.1助焊劑制備

助焊劑各組分原料分別為松香、有機(jī)酸、有機(jī)胺、溶劑及觸變劑，按照特定的配方各制備500 g助焊劑。首先準(zhǔn)備好15個(gè)燒杯，并標(biāo)明觸變劑的加入溫度及含量，接著在燒杯內(nèi)盛入稱(chēng)好的松香、有機(jī)胺與溶劑。再將燒杯放置在磁力攪拌電爐上加熱，以70 r/min的速度攪拌，加熱至180 ℃后停止加熱，自然降溫。并分別在180 ℃,170 ℃,160 ℃加入觸變劑S，觸變劑的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為2%，4%，6%，8%，10%，當(dāng)溫度降至140 ℃時(shí)加入有機(jī)酸，攪拌5 min后完成制備，將助焊劑裝入對(duì)應(yīng)的高溫塑料袋中置于0～10 ℃環(huán)境下冷卻4 h，即可得到15種助焊劑。

1.3.2焊錫膏制備

將上述15個(gè)助焊劑回溫2 h后，配制焊錫膏，其中助焊膏含量均為11.5%，焊錫粉含量88.5%，焊錫膏總量1 kg。錫膏制備工藝見(jiàn)表1。

表1 錫膏制備攪拌工藝

1.4測(cè)試方法

1.4.1焊錫膏粘度

粘度：室溫下(25 ℃±0.5 ℃)使用日本 Malcom 的 PCU205 粘度測(cè)試儀測(cè)定錫膏的粘度，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：JIS Z 3284-3 2014《Solder paste—part 3: test methods for printability, viscosity, slump and tackiness》。在沒(méi)有特別指出測(cè)量參數(shù)時(shí)，其粘度值讀數(shù)為回轉(zhuǎn)數(shù)為10 r/min時(shí)的粘度值。

1.4.2焊錫膏觸變指數(shù)

觸變指數(shù)測(cè)試根據(jù)JIS Z 3284-3：2014標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。測(cè)試方法：由自然對(duì)數(shù)之粘度-剪應(yīng)變速率曲線(xiàn)中的梯度獲得。

(1)

式中：η1為剪應(yīng)變速率D1時(shí)的粘度；η2為剪應(yīng)變速率D2時(shí)的粘度；D1為剪應(yīng)變速率；D2為剪應(yīng)變速率。

1.4.3內(nèi)黏著力

使用Malcom內(nèi)黏著力測(cè)試儀，將錫膏印刷在設(shè)備配置的標(biāo)準(zhǔn)陶瓷片上，每次測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，使用內(nèi)黏著力儀進(jìn)行測(cè)試，取平均值作為該次測(cè)試結(jié)果。

1.4.4印刷性能

使用PANASONIC NM-EJP6A全自動(dòng)印刷機(jī)，其中鋼網(wǎng)厚度0.12 mm，前刮刀與后刮刀印刷壓力均為2 kg，印刷速度為60 mm/s，脫模長(zhǎng)度為2 mm，脫模速度為0.35 mm/s。按照以上印刷參數(shù)印刷錫膏在PCB測(cè)試板上，所選PCB測(cè)試板含有0.65 pitch,0.5 pitch及0.4 pitch的QFN焊盤(pán)。使用Stemi-508型體式顯微鏡觀察PCB板上0.65 pitch,0.5 pitch,0.4 pitch的焊盤(pán)錫膏的印刷情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊錫膏粘度

圖1為3種溫度下加入觸變劑的助焊劑對(duì)應(yīng)焊錫膏的粘度值，從圖1焊錫膏粘度變化示意圖可以看出，在同一溫度條件下，隨著觸變劑含量的增加，焊錫膏粘度呈非線(xiàn)性升高。在觸變劑含量相同的條件下，焊錫膏粘度受加入溫度影響較大，熔解溫度為170 ℃時(shí)，焊錫膏粘度值最高，熔解溫度為180 ℃時(shí)，焊錫膏粘度值最低，熔解溫度為160 ℃時(shí)，焊錫膏粘度值居中。助焊劑含量為2%～4%時(shí)3種溫度的焊錫膏粘度值較低，助焊劑含量為10%時(shí)3種溫度的錫膏粘度值較高，助焊劑含量為6%～8%時(shí)，錫膏粘度較適合SMT線(xiàn)生產(chǎn)。

圖1 觸變劑熔解溫度及含量對(duì)焊錫膏粘度的影響

2.2 焊錫膏觸變指數(shù)

觸變指數(shù)是影響焊錫膏印刷性能的重要因素，觸變指數(shù)過(guò)低焊錫膏成形性能差，印刷后容易連錫；反之觸變指數(shù)過(guò)高焊錫膏過(guò)硬，容易引起少錫漏印等。一般來(lái)講，觸變指數(shù)在0.45～0.55之間較為適合。圖2為觸變劑加入溫度及含量對(duì)焊錫膏觸變指數(shù)的影響趨勢(shì)示意圖，由圖2可以看出，在同一加入溫度條件下，隨著觸變劑含量的增加，焊錫膏觸變指數(shù)逐漸升高。但在觸變劑含量相同的條件下，添加溫度為170 ℃時(shí)，焊錫膏觸變指數(shù)最高，即觸變性能最好。添加溫度為180 ℃時(shí)，焊錫膏觸變指數(shù)最低。觸變劑含量2%～4%是焊錫膏的觸變指數(shù)低于0.4，觸變劑含量6%～10%觸變指數(shù)在0.4～0.55之間。

圖2 觸變劑加入溫度及含量對(duì)焊錫膏觸變指數(shù)的影響

觸變劑的主要作用是賦予焊錫膏一定的觸變性能，即在不受力狀態(tài)下，其粘度增大以保持固有形狀防止錫膏塌陷。焊錫膏在受力狀態(tài)下，粘度變小以便于錫膏印刷，并且隨剪切力的增大而降低。當(dāng)觸變劑加入樹(shù)脂體系中，由于氫鍵等作用力的存在，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，觸變劑含量越高，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高，使樹(shù)脂粘度增加數(shù)倍，甚至失去流動(dòng)性。因此，在其他條件不變的情況下，觸變劑含量越高，焊錫膏粘度越高[9-10]。而觸變劑的氫鍵在高溫作用下易被永久性破壞，無(wú)法恢復(fù)，導(dǎo)致其觸變性降低，因此加入溫度高于其熔點(diǎn)時(shí)，制備出的焊錫膏粘度與觸變指數(shù)均明顯降低。而加入溫度低于其熔點(diǎn)時(shí)，觸變劑無(wú)法完全融入助焊劑內(nèi)，因此制備出的焊錫膏粘度與觸變指數(shù)均較低[11]。

2.3 焊錫膏內(nèi)黏著力

圖3為觸變劑不同加入溫度及含量下焊錫膏的內(nèi)黏著力值。如圖3所示，在觸變劑加入溫度為160 ℃與180 ℃時(shí)，隨著觸變劑添加量的增加，焊錫膏內(nèi)黏著力逐漸升高。觸變劑加入溫度為170 ℃時(shí)，觸變劑含量在2%～8%之間時(shí)，焊錫膏的內(nèi)黏著力隨著觸變劑含量的增加而升高，而觸變劑含量為10%時(shí)，焊錫膏內(nèi)黏著力降低，這是由于該含量下焊錫膏粘度過(guò)高，造成焊錫膏呈現(xiàn)發(fā)干的情況，因此內(nèi)黏著力降低。觸變劑含量相同時(shí)，觸變劑加入溫度為170 ℃時(shí)，焊錫膏內(nèi)黏著力最高，180 ℃時(shí)焊錫膏內(nèi)黏著力最低，這同樣與高溫下觸變劑的氫鍵及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞有關(guān)。但焊錫膏內(nèi)黏著力過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊錫膏脫模性較差，內(nèi)黏著力過(guò)低時(shí)會(huì)出現(xiàn)掉件的情況，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際客戶(hù)生產(chǎn)需求確定。

圖3 觸變劑加入溫度及含量對(duì)焊錫膏內(nèi)黏著力的影響

2.4 印刷性能測(cè)試

焊錫膏作為印刷的對(duì)象，其質(zhì)量直接關(guān)乎產(chǎn)品的印刷品質(zhì)，一款焊膏對(duì)印刷品質(zhì)影響最大的就是粘度，粘度大小直接影響著焊錫膏的轉(zhuǎn)移率，為滿(mǎn)足SMT工藝印刷要求，焊錫膏粘度一般控制在(200±30) Pa·s，根據(jù)2.1的粘度測(cè)試結(jié)果，選用觸變劑含量為8%的焊錫膏做印刷性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，圖4中a～c,d～f,g～i分別為160 ℃,170 ℃,180 ℃加入觸變劑對(duì)應(yīng)焊錫膏在0.65 pitch,0.5 pitch,0.4 pitch焊盤(pán)的印刷圖片。

從圖4中可以看出，160 ℃加入觸變劑時(shí)，印刷焊錫膏后PCB板上0.65 pitch,0.5 pitch的焊盤(pán)之間無(wú)橋連，0.4 pitch的焊盤(pán)出現(xiàn)橋連，有少量焊錫膏連接在兩個(gè)焊盤(pán)之間；170 ℃加入觸變劑時(shí)，PCB板上0.65 pitch,0.5 pitch,0.4 pitch的焊盤(pán)之間均無(wú)橋連；180 ℃加入觸變劑時(shí)，印刷焊錫膏后PCB板上0.65 pitch,0.5 pitch的焊盤(pán)之間無(wú)橋連，0.4 pitch的焊盤(pán)橋連嚴(yán)重，大部分焊盤(pán)之間產(chǎn)生連錫。由此可以看出，觸變劑加入溫度為170 ℃時(shí)焊錫膏的印刷性能最好，印刷后0.65 pitch,0.5 pitch,0.4 pitch的細(xì)間距焊盤(pán)之間均無(wú)橋連，這是由于加入溫度為170 ℃時(shí)，焊錫膏的粘度最高，觸變指數(shù)最高，觸變性能最好。在焊錫膏的整個(gè)印刷過(guò)程中，受到刮刀的推力作用后粘度下降，可以順利的實(shí)現(xiàn)填充和轉(zhuǎn)移，達(dá)到網(wǎng)孔內(nèi)時(shí)粘度最低，此時(shí)的焊錫膏更容易從網(wǎng)孔內(nèi)脫離沉積到PCB板上，隨著外力的消失，焊錫膏的粘度又迅速回升，故而脫模后焊錫膏能保持原有形狀不塌落，因此其印刷性能最好。

圖4 不同溫度條件加入觸變劑對(duì)應(yīng)焊錫膏的印刷性

3 結(jié)論

(1)制備助焊劑時(shí)，在觸變劑完全熔化合成的條件下，觸變劑在熔點(diǎn)溫度附近加入且含量為6%～8%時(shí)，對(duì)應(yīng)的焊錫膏印刷性能最好，能滿(mǎn)足細(xì)間距焊盤(pán)的印刷。

(2)在高于觸變劑的熔點(diǎn)溫度下，觸變劑的氫鍵及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，觸變性能較差，焊錫膏印刷時(shí)細(xì)間距的焊盤(pán)容易連錫。

(3)隨著觸變劑含量的增加，焊錫膏的粘度及觸變指數(shù)逐漸升高，在一定含量范圍內(nèi)，焊錫膏的內(nèi)黏著力隨觸變劑含量的增加逐漸升高。但觸變劑含量過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊錫膏硬化，反而導(dǎo)致焊錫膏內(nèi)黏著力降低，不利于印刷和貼片。